JP7253626B2 - ソレノイド用磁路素子 - Google Patents

Description

以下の開示は、例えばクラッチを駆動するためのソレノイドと共に使用される磁路素子に関し、より詳しくはソレノイド用の環形であるコアと共に使用されて共に磁束を導く磁路を構成する磁路素子に関する。

自動車に使用される回転機械は、その機能を制御するためにしばしばクラッチを利用する。例えば出力軸間の差動を一時的に制限または停止する目的で、デファレンシャル装置は摩擦クラッチやドッグクラッチを内蔵することがある。これらの装置において、装置の外部からクラッチを駆動する目的で、ソレノイドアクチュエータを利用することがある。

巻き線が発生した磁場から大きな磁束を得るべく、ソレノイドアクチュエータには軟磁性材料よりなるコアが一般的に利用される。電流を増やさずにアクチュエータの出力を向上するには、巻き線の巻き数を増やすか、コアの断面積を増大するかである。いずれもアクチュエータの重量および容積を増大してしまうので、どのように設計するかは投入できる電力や許容されるスペース等を勘案して決定される。

特許文献１，２は、関連する技術を開示する。

日本国特許出願公開２０１３－１８５６７６号 国際特許出願公開ＷＯ２０１６／０３５１２９Ａ１

ソレノイドアクチュエータの実装には、さらに考慮すべき要素がある。すなわち回転機械は軸周りに回転するがソレノイドアクチュエータは非回転部材であるから、その回り止めが必要であるし、また軸に対する位置合わせが必要である。さらにはエネルギ効率や意図しない不具合を防ぐ観点からは、周辺部品への磁束の漏洩を防止しなければならない。

以下に開示するものは、上述の複数の問題を同時に解決することを意図して創作された。

一局面によれば、ソレノイドを覆って軸の周りに環形であるコアに隣り合って使用される磁路素子は、軟磁性材料よりなり、前記コアの軸方向の端面に面接触をし、前記コアと共に磁束を導く磁路を構成する、円盤形であって前記軸の周りに開口を囲んで前記面接触が前記端面の内周縁から外周縁までに及ぶように寸法づけられた、プレートと、前記プレートと一体であって、少なくとも径方向に外方に突出した一以上のタブと、を備える。

図１は、一実施形態による磁路素子を含むソレノイドにより駆動されるロックアップデフの立面断面図である。 図２は、磁路素子の側から見たロックアップデフの側面図である。 図３は、図１に対応する磁路素子を含むソレノイドにより駆動されるロックアップデフの部分立面断面図であって、主にソレノイドを示す図である。 図４は、図３に示すものの変形例を表す部分立面断面図である。 図５は、磁路素子を含むソレノイドおよび規制リングの分解斜視図である。 図６は、他の実施形態による磁路素子を含むソレノイドにより駆動されるロックアップデフの部分立面断面図であって、主にソレノイドを示す図である。 図７は、図６に対応する磁路素子を含むソレノイドの分解斜視図である。 図８は、一の例による磁路素子とキャリアとの関係を示す一部断面側面図である。 図９は、他の例による磁路素子とキャリアとの関係を示す断面平面図である。 図１０は、さらに他の例による磁路素子とキャリアとの関係を示す断面平面図である。

添付の図面を参照して以下に幾つかの例示的な実施形態を説明する。以下の説明および添付の請求の範囲において、特段の説明がなければ軸はソレノイドの中心軸を意味し、同軸構造を採用するときにはソレノイドが駆動するクラッチ、また回転機械の回転軸とも一致する。図面は必ずしも正確な縮尺により示されておらず、従って相互の寸法関係は図示されたものに限られないことに特に注意を要する。

図１を参照するに、ロックアップデフ装置１は、デファレンシャルギア組３と、その出力ギアの一つをロックするドッグクラッチ５とを備える。ケーシングに係合したクラッチ部材７を軸方向に移動することによりドッグクラッチ５が噛合し、以ってデファレンシャルギア組３の差動が一時的に停止される。本実施形態によるソレノイドアクチュエータ９は、一例としてロックアップデフ装置１のクラッチ部材７を駆動する目的で利用されるが、もちろん他の装置、例えばフリーランニングデフ、シフト装置やその他の種々の回転機械と組み合わせて利用することができる。

図示の例ではアクチュエータ９自体は静止部材であって、プランジャ１９を駆動することにより間接的にクラッチ部材７を駆動するが、これに代えて、アクチュエータ９自体が移動して、プランジャ１９と共にあるいはなしに、クラッチ部材７を駆動してもよい。

アクチュエータ９は、巻き線１５と、これを覆うコア１７と、を備える。巻き線１５は、いわゆる電磁コイルないしソレノイドであって、ケーブルを介して外部の電源と電気的に接続されており、電力の投入によりその周りに磁場を発生する。

アクチュエータ９は、また、巻き線１５を覆うコア１７を備える。コア１７は、磁場を導いて大きな磁束を生ずるべく軟磁性材料よりなる。軟磁性材料の例は、機械用鋼、ケイ素鋼、フェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼であって、特に透磁率向上の目的で焼鈍されたものである。コア１７は、磁束を軸の周りに均一にするべく軸の周りに環形であって略軸対称にすることができる。その全体は概して軸に沿って背の低い円筒状であり、径方向に内周は平滑な円柱面である。径方向に外周も円柱面にすることができるが、あるいは装置１のケーシングに突き当てるべく、適宜の段差を備えてもよい。軸方向に両端はいずれも平坦面にすることができるが、後述のごとくケーシングに面した端においてコアは省かれていてもよい。

コア１７は、巻き線１５の内周，外周および両端の全てを覆ってもよいが、あるいはその内周はギャップを有してもよく、プランジャ１９を備える場合にはプランジャ１９はかかるギャップを跨ぐようにコア１７に嵌合してもよい。磁路に導かれた磁束は巻き線１５の周囲を巡るようにループを作り、かかる磁束はギャップを迂回してプランジャ１９を通過することにより、これを駆動する。また装置１のケーシングに向いた側においてコアを省き、これに代わってケーシングの端壁が磁路の一部を担ってもよい。この場合にプランジャ１９を駆動するためのギャップは、コア１７とケーシングとの間に保持されてもよい。

プランジャ１９は、コア１７の内周に嵌合するべく、概して円筒形にすることができる。プランジャ１９は、その全体が軟磁性材料よりなっていてもよいが、磁束の漏れを抑制するべく、軟磁性材料と非磁性材料とを組み合わせたものであってもよい。非磁性材料の例は、オーステナイト系ステンレス鋼、高マンガン鋼のごときいわゆる非磁性鋼、銅ないし銅合金である。図示の例ではプランジャ１９は、非磁性材料よりなるインナリングと、軟磁性材料よりなり、圧入等によりインナリングに固定的に嵌合してコア１７に面するアウタリングと、を備える。

アウタリングはアクチュエータ９による磁束を受けて駆動力を生じ、またこれをインナリングへ伝える。インナリングはデフケースのボス部１１に摺動可能に嵌合しており、これに案内されて軸方向に摺動する。インナリングはクラッチ部材７に向けて延長されており、クラッチ部材７に当接してこれを駆動するのはインナリングである。磁性を有するアウタリングはコア１７に向いた側に限定されているので、デフケースへの磁束の漏れを低減し、またプランジャ１９が残留磁束により何れかに固着することを防止する。

図１と組み合わせて図２，５を参照するに、コア１７に隣り合って使用されることによりコア１７と共に磁路を構成する磁路素子は、その全体が軟磁性材料よりなるプレート１３を少なくとも含む。プレート１３はコア１７とは別体だが、これに密に隣り合うことにより磁束の一部を導き、磁路の断面積を増大するのに寄与するので、アクチュエータ９の出力向上に寄与する。あるいはプレート１３が磁路の断面積に寄与するのでコア１７を薄くしてもアクチュエータ９の出力は減少せず、これはアクチュエータ９の小型化に、特に軸方向の小型化に寄与する。

プレート１３は、コア１７に沿うべく概して円盤形であり、その内周において軸の回りに開口を囲む。またコア１７の端面が平坦な場合には、これに面接触するべく、プレート１３も概して平坦であってもよい。あるいはプレート１３は、コア１７の端面の凹凸に応じ、またはそれと無関係に、凹凸を有してもよい。さらにはプレート１３の厚さは均一でなくてもよい。

プレート１３の外縁、内周ともに、径方向に延長するほうが磁路の断面積を増大するのに有利だが、コア１７に比べて突出するほどであってもその効果は飽和する。そこで図３に示すごとく、その外縁はコア１７の端面の少なくとも外周縁にまで延びていてもよい。また開口を囲む内周は、コア１７の端面の少なくとも内周縁にまで延びていてもよい。すなわち面接触がコア１７の端面の内周縁から外周縁までに及ぶようプレート１３は寸法づけられていてもよい。

図３に示す態様によれば、プレート１３の内周が囲む開口は、プランジャ１９が軸方向に通過することを許容する。これはプランジャ１９の可動範囲を広げるのに有利である。あるいは図４に示すごとく、プランジャ１９の後端が突き当たるように、内周が径方向に内方に延長されていてもよい。全周にわたりプランジャ１９に突き当たらなくてもよく、例えば内周から径方向に内方に延長された複数の突起が周方向に離れて配置されている態様であってもよい。図４に示す態様によれば、プレート１３はプランジャ１９の後退を規制するので、後述の規制リング２１を省くことができる。

プレート１３とコア１７とは、接着剤やスポット溶接等により互いに固定されていてもよいが、固定されていなくてもよい。互いに大きな面で面接触しているので、密着だけでも十分に互いを規制し合い、特にプレート１３を回り止めするだけでコア１７も回り止めすることができる。また巻き線１５に電力を投入したときには、コア１７とプレート１３とは電磁的に互いを誘引しあうので、互いを規制しあう作用は強まる。

図１乃至３に戻って参照するに、規制リング２１は概して輪環形であり、ケーシングのボス部１１に圧入等により固定される。規制リング２１は、プレート１３の開口を通って後退するプランジャ１９が突き当たることによりその後退を規制する。磁束が規制リング２１を経由して漏れることを防ぐべく、規制リング２１はオーステナイト系ステンレス鋼のごとき非磁性材料よりなっていてもよい。プレート１３は、規制リング２１とコア１７との間に挟まれることにより支持されていてもよい。

当接したプランジャ１９からの磁束の漏れを低減するべく、規制リング２１はプランジャ１９に当接する位置に一以上のスリット２５を備えてもよい。それぞれのスリット２５は、図２に示すごとく周方向に延びた弧状にすることができ、特に図１に示すごとくプランジャ１９のアウタリングに対応する位置に開けられていてもよい。また図示の例ではスリット２５は貫通孔だが、有底孔であってもよい。非磁性材料よりなるインナリングは規制リング２１に当接してもよく、その場合でも磁束の漏れはごく少ない。

あるいはプレートは規制リングを一体に備えてもよい。すなわち図３，５と対比して図６，７に例示するプレート１３Ａは、その内周側の開口から径方向に内方に延長されたストッパ２１Ａを一体に備える。かかる例において、装置１から規制リングを省くことができるし、あるいは規制リングと同等なものをさらに備えてもよい。

ストッパ２１Ａは、その内周においてボス部１１に接するように、またプランジャ１９に突き当たってこれを停止するように寸法づけられる。またストッパ２１Ａは開口から軸方向に突出していてもよい。これはプランジャ１９の可動範囲を広げるのに役立つ。ストッパ２１Ａを有する構造は、単一の平坦な板から切り出すことにより、また軸方向に突出した構造はプレス加工を組み合わせることにより、容易に作成することができる。

ストッパ２１Ａもまた、上述の規制リング２１と同様に、プランジャ１９に当接する位置に一以上のスリット２５Ａを備えてもよく、さらにそれぞれ周方向に延びた弧状にすることができる。言うまでもなく、スリット２５Ａは貫通孔と有底孔の何れでもよい。

図３，４，６に示す何れの態様においても、後退したプランジャ１９の後端は、規制リング２１，プレート１３またはストッパ２１Ａに突き当たるが、常に接していなくてもよく、適宜に隙間があってもよい。

図５，７に戻って参照するに、プレート１３，１３Ａは、また、これと一体であって同一の素材よりなる一以上のタブ２３を備えることができる。それぞれのタブ２３はプレート１３より突出していてもよく、特に径方向に外方に突出していてもよい。また軸方向にはタブ２３はプレート１３と同一の厚さにしてもよく、すなわちプレート１３とタブ２３とは、単一の平坦な板から切り出すことにより一体に製造することができる。

タブ２３は、それぞれプレート１３の回り止めのために利用することができる。例えば図８に示すごとく、デファレンシャル装置１を支持するキャリア３１にタブ２３に適合した溝を形成しておき、デファレンシャル装置１をキャリア３１に組み込んだ後にカバー３３を固定することにより、プレート１３を回り止めすることができる。タブ２３は平坦なままでもよいが、図９に示すごとく例えば軸方向に曲げ、その先端においてキャリア３１に係合していてもよい。

従来のソレノイドアクチュエータにおいては、コアを回り止めするために追加的な部材が必要であり、かかる部材は溶接等によりコアに固定される。質量の大きなコアに溶接を実施しようとすると、その加熱に無視しえないコストがかかるし、また熱影響によりコアが変形し易く、あるいはその磁気特性が少なからず劣化してしまう。これに比べて上述の実施形態によれば、回り止めのために追加の部材も加熱も不要であるので、製作コストと磁気特性の両方の点で有利である。

あるいは、図１０に示すごとく、追加的な回り止め部材をタブ２３またはプレート１３に溶接等により固定してもよい。回り止め部材は平坦でもよく、あるいは図示のごとく固定に先立って予め曲げられていてもよい。これらの場合において、回り止め部材はプレート１３と同一の素材よりなっていてもよいが、非磁性材料であってもよい。これは磁束の漏れを低減するのに役立つ。

回り止め部材の固定に溶接を利用するとしても、コアに比べて質量のより小さなプレートに溶接をするので、加熱のためのコストはより小さく、また熱影響による変形や磁気特性の劣化も必然的により小さくなる。また共に比較的に薄い平板であるので、スポット溶接のごとく、より低コストで熱影響の小さな方法を採用することができる。あるいは溶接に代えて、係合、嵌合、圧入、ろう付け、ねじ止め等によることができる。

プレート１３，１３Ａは、既に述べた通り軟磁性材料よりなり、特に透磁率向上の目的で焼鈍されたものよりなる。また、その加工や回り止め部材の固定に先立ち、あるいはその後に、耐摩耗性や耐疲労特性等の種々の特性の改善の目的で熱処理を行うことができ、かかる熱処理にはいわゆるガス軟窒化処理が含まれる。

上述の説明から容易に理解される通り、これらの何れの実施形態によっても、ソレノイドアクチュエータと共にプレートが使用されることにより、磁束が増大してその出力が向上するのみならず、回り止め部材や規制リングのごとき、先行技術において必須であった独立の部材の一以上を省いてもそれらの機能を維持することができる。また溶接に伴う熱影響によるコアの磁気特性の低下を防ぐこともできる。結果としてアクチュエータを小型化し、ひいては回転機械の全体を小型化することができる。

幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正ないし変形をすることが可能である。

Claims (5)

1. ソレノイドを覆って軸の周りに環形であるコアに隣り合って使用される磁路素子であって、
   軟磁性材料よりなり、前記コアの軸方向の端面に面接触をし、前記コアと共に磁束を導く磁路を構成する、円盤形であって前記軸の周りに開口を囲んで前記面接触が前記端面の内周縁から外周縁までに及ぶように寸法づけられた、プレートと、
   前記プレートと一体であって、少なくとも径方向に外方に突出した一以上のタブと、
   を備えた磁路素子。
2. 前記プレートまたは前記タブと一体にまたは接合されて前記プレートから軸方向に突出した回り止め部、
   をさらに備えた請求項１の磁路素子。
3. 前記開口は前記コアの内周に摺動可能に嵌合して軸方向に駆動されるプランジャが軸方向に通過することを許容するべく寸法づけられている、請求項１の磁路素子。
4. 前記プレートと一体にまたは接合されて、前記開口から径方向に内方に延長され、前記プランジャを停止するべく寸法づけられたストッパ、
   をさらに備えた請求項３の磁路素子。
5. 前記ストッパは前記プランジャとの接触を制限するべく周方向に延びた一以上のスリットを備える、請求項４の磁路素子。

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